Báo cáo tổng kết đề tài - Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas cho xe gắn máy

ên thế giới cũng như ở Việt Nam. Tuy nhiên, trên thế giới chưa có nghiên cứu nào về xe máy dùng biogas. Trong khi đó xe máy ở nước ta với số lượng khoảng hơn 30 triệu chiếc hiện và sẽ còn là phương tiện giao thông chủ yếu trong hàng thập kỷ nữa. Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas cho xe gắn máy” là cần thiết, có tính thời sự, tính khoa học và thực tiễn cao. MỤC ĐệCH NGHIểN CU: Mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế chuyển đổi xe gắn máy truyền thống thành xe gắn máy sử dụng hai nhiên liệu lỏng – khí. Xe gắn máy được chuyển đổi để có thể sử dụng một cách linh hoạt với các loại nhiên liệu lỏng – khí như khí biogas, khí thiên nhiên. ĐỐI TỢNG NGHIểN CU: Theo những phân tích trên đây, đề tài chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas. PHẠM VI NGHIểN CU: Do tính chất hết sức phức tạp của vấn đề nghiên cứu, đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu những vấn đề sau đây: - Nghiên cứu hệ thống cấp biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy; 2 - Nghiên cứu mô phỏng quá trình cấp biogas cho xe gắn máy; - Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas; PHNG PHÁP NGHIểN CU: đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cu lý thuyt: Nghiên cứu quá trình cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc bằng phương pháp hút qua họng Venturi bởi cụm van ba chức năng để xác lập đường đặc tính của hệ số tỷ lệ tương đương theo tải của động cơ; - Nghiên cu thc nghim: Thực nghiệm đo diễn biến áp suất trong buồng cháy động cơ xe gắn máy wave  110cc sử dụng nhiên liệu xăng RON92 và nhiên liệu biogas nén 85% CH4. Bố cục của đề tài ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển của đề tài, nội dung chính được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về sử dụng biogas cho động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xe gắn máy sử dụng nhiên liệu biogas nén 3 Chng 1 TỔNG QUAN V NGHIểN CU NG DỤNG BIOGAS LÀM NHIểN LIU CHO ĐỘNG C ĐỐT TRONG. 1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa thạch đang lâm vào khủng hoảng vì cạn kiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường đang trở nên ngày một trầm trọng, để giảm nồng độ các chất ô nhiễm từ khí xả động cơ của phương tiện giao thông cơ giới, đề tài đề xuất giải pháp sử dụng nguồn nhiên liệu “sạch” hơn cho xe gắn máy: khí sinh học biogas. 1.2. Tình hình sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 1.2.1. Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới Hình 1.7: Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009 (Nguồn European Biogas Association – EBA) Tiềm năng biogas được ước tính trên cơ sở các nguồn sinh khối đang tồn tại trên hành tinh. Các số liệu thống kê cho thấy con người chỉ mới sử dụng một phần rất nhỏ biogas so với tiềm năng có thể sản xuất được từ các nguồn sinh khối có sẵn. 1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam Trong khoảng thời gian gần đây, việc sử dụng biogas đã trở nên quen thuộc đối với người dân Việt Nam. 4 1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động cơ xe gắn máy Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ ô tô và động cơ xe gắn máy qua đường nạp bằng cách hút hoặc phun với áp suất thấp [6], [7], [14]. GS.TSKH Bùi Văn Ga đã thành công với bộ phụ kiện cung cấp LPG cho động cơ xe gắn máy theo kiểu hút qua họng Venturi [6], [29], [30], [31]. Gần đây, GS.TSKH Bùi Văn Ga và nhóm GATEC của Đại học Đà Nẵng cũng rất thành công với bộ phụ kiện GATEC 21 cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại và các phương tiện giao thông cơ giới. 1.3. Các tiêu chuẩn sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong và tính chất lý hóa của nhiên liệu biogas Có thể nâng cấp biogas thành khí thiên nhiên (H2S< 4ppm, -4 3 CH4> 95%, CO2< 2% thể tích, H2O<10 kg/mm , loại bỏ cặn, siloxanes) để ứng dụng cho động cơ trên các phương tiện cơ giới. Tùy theo quy mô sản xuất và mục đích sử dụng, biogas có thể được hòa vào mạng lưới khí thiên nhiên để vận chuyển đến nơi tiêu thụ. Khi đó, tiêu chuẩn dành cho khí thiên nhiên hoàn toàn có thể áp dụng cho biogas. 1.4. Công nghệ xử lý các tạp chất trong biogas Hiện nay, có nhiều công nghệ khác nhau để nâng cấp khí biogas thô đạt đến hàm lượng methane theo các tiêu chuẩn về nhiên liệu khí dùng cho động cơ đốt trong. Các quá trình này đều liên quan đến việc loại bỏ đáng kể lượng CO2 và H2S có mặt trong biogas [5], [6], [56]. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm bằng tháp nước có vật liệu đệm nhằm tăng cường bề mặt tiếp xúc pha giữa biogas với nước, với lưu lượng biogas đầu vào là 1,5 m3/h, sau quá trình lọc thu được biogas sạch với nồng độ của CH4 lên đến 96,7%, nồng độ CO2 chỉ còn 1,87%, và các thành phần khí khác chiếm 1,43%, H2S được hấp thụ gần như hoàn toàn. 5 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Những nghiên cứu ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ khi sử dụng biogas làm nhiên liệu thay thế như: Tỷ số nén, góc đánh lửa sớm tối ưu, tốc độ cháy của hỗn hợp biogas – không khí, mức độ phát thải các chất ô nhiễm, đánh giá công suất khi cải tạo động cơ sang sử dụng nhiên liệu biogas... Biogas có tốc độ lan tràn màng lửa thấp hơn các loại nhiên liệu khí khác. Vì vậy, góc đánh lửa sớm phải tăng để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hoàn hảo, nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ. Jewell (1986) cho rằng góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ 25 kW chạy bằng biogas chứa 60% methane nằm trong khoảng 330 - 450 trước điểm chết trên. Theo Walsh (1986) cho rằng động cơ 55 kW sử dụng biogas tương tự có góc đánh lửa sớm tối ưu là 450 trước điểm chết trên. GS.TSKH Bùi Văn Ga và các cộng sự ở Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, dầu sang sử dụng biogas. Động cơ chạy bằng xăng dầu truyền thống có thể được chuyển đổi sang chạy bằng biogas nhờ các bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu đã mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và bảo vệ môi trường. Sử dụng khí biogas nén trên xe gắn máy vấp phải khó khăn là chứa nhiên liệu áp suất cao. Trường hợp lưu trữ ở trạng thái lỏng thì cũng gặp nhiều khó khăn vì phải làm lạnh sâu đến nhiệt độ rất thấp (đến 0 -161,5 C ở áp suất 1 atm đối với CH4 tinh khiết) và như vậy bình chứa phải có cấu tạo với các vỏ bọc kép chân không chi phí rất cao. GS.TSKH Bùi Văn Ga và nhóm GATEC của Đại học Đà Nẵng cũng rất thành công với bộ phụ kiện GATEC cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại và các phương tiện giao thông cơ giới. 6 Các tác giả Nguyễn Ngọc Dũng, Trần Đăng Long, Huỳnh Thanh Công và cộng sự ở Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu phương pháp phun nhiên liệu biogas trên đường nạp và đánh giá tính năng của động cơ xe gắn máy trên băng thử. Như đã trình bày ở trên, biogas đã được nghiên cứu sử dụng thành công cho nhiều loại động cơ đốt trong dùng trong nông nghiệp, vận tải nhỏ, máy phát điện còn ứng dụng biogas cho xe máy chưa được chú ý thích đáng, hoặc chỉ dừng lại ở mức đánh giá sơ bộ sự sụt giảm công suất của động cơ xe gắn máy khi sử dụng loại nhiên liệu này ở phòng thí nghiệm. 1.6. Kt lun Kết quả nghiên cứu tổng quan về tình hình sử dụng biogas cho động cơ đốt trong cho phép rút ra được những kết luận như sau: - Việc sử dụng xe gắn máy đã đóng góp rất lớn cho sự phát triển kinh tế chung trong điều kiện xã hội nước ta. Do đó, việc tìm kiếm, ứng dụng những nguồn nhiên liệu mới thay thế nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch đang là vấn đề quan tâm hàng đầu. - Nhiên liệu biogas là nguồn năng lượng tái tạo có trữ lượng lớn và được sản sinh trong các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người. Tuy vậy, để sử dụng nguồn năng lượng này một cách có hiệu quả thì cần phải hoàn thiện công nghệ sản xuất, lọc và lưu trữ biogas để làm nhiên liệu cung cấp cho xe gắn máy. Từ các căn cứ nêu trên cho thấy đề tài “Nghiên cứu công nghệ sử dụng biogas cho xe gắn máy” là cần thiết, có tính thời sự, tính khoa học và thực tiễn cao. 7 Chương 2 C SỞ LÝ THUYT V QUÁ TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG C XE GN MÁY HONDA WAVE  110CC 2.1. Tính toán lý thuyết quá trình nén lưu trữ khí biogas sạch Năng lượng cần thiết để nén khí biogas sạch là thông số quan trọng của hệ thống nén và lưu trữ khí biogas. Công cần thiết cho quá trình nén được biểu diễn bằng biểu thức [6], [58]:  C2   P2  W  C1RT1  1 (2.1)  P1     Trong đó: W là công cần thiết cho quá trình nén; C1=k/(k-1); C2=(k-1)/k; k: Tỉ số nhiệt dung riêng (Cp/Cv), k=1,3; R: Hằng số khí của biogas; T1: Nhiệt độ ban đầu [độ F]; p1: Áp suất ban đầu [psi]; p2: Áp suất cuối quá trình nén [psi]. 2.2. Tính toán hiệu quả lưu trữ khí biogas bằng phương pháp nén Hình 2.12 giới thiệu biến thiên năng lượng biogas lưu trữ được trong bình chứa dung tích 30 lít theo áp suất nén ứng với thành phần CH4 trong biogas thay đổi từ 40% đến 80%. Hình 2.2: Biến thiên năng lượng tích lũy Hình 2.3: Hiệu quả năng trong biogas theo áp suất nén lượng sử dụng biogas nén Với biogas có XCH4 = 80% thì giá trị giới hạn của Q/W khoảng 100 (hình 2.3). Vì vậy, hiệu quả kinh tế của việc sử dụng biogas nén trên phương tiện giao thông cơ giới là rất rõ rệt. 8 2.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho xe gắn máy hai bánh 2.3.1. Các chủng loại xe gắn máy chạy xăng có thể chuyển sang chạy bằng biogas Hình 2.4: Động cơ có buồng cháy phù hợp với việc sử dụng nhiên liệu khí Hình 2.4 giới thiệu hai kiểu kết cấu buồng cháy động cơ xe máy hiện đang lưu hành ở nước ta. Các động cơ thế hệ mới như DREAM 100, WAVE 100, 110 của Nhật, BONNUS 125cc, SWAN 110 của Trung Quốc... có kết cấu buồng cháy như hình 2.4 2.3.2. Đặc điểm quá trình cung cấp biogas cho động cơ xe gắn máy Biogas có chứa một số tạp chất, chủ yếu là CO2. Vì vậy ta có thể xem thành phần nhiên liệu biogas chứa X% CH4 và (100-X)% CO2 tính theo thể tích. Chúng ta có thể xác định độ đậm đặc của hỗn hợp được định nghĩa bởi tỷ số giữa tỷ lệ khối lượng nhiên liệu/không khí thực tế (F/A)tt trên tỷ lệ khối lượng nhiên liệu/không khí lý thuyết (F/A)lt, tức là: F/A tt  =   (2.6) F/A lt Nếu gọi ma là lưu lượng không khí (kg/s) thì lưu lượng khối lượng O2 là: 9 2.3.3. Bản chất kỹ thuật của giải pháp cung cấp biogas cho xe gắn máy Bản chất kỹ thuật Giải pháp này đề xuất hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén trong bình áp suất cao, sau đó được giảm áp và thông qua hệ thống van chân không cung cấp cho động cơ xe gắn máy. Đồng thời xe có thể chạy được bằng 2 nhiên liệu, hoặc nhiên liệu biogas nén, hoặc bằng xăng như trước khi cải tạo (hệ thống nhiên liệu xăng không thay đổi). Để đảm bảo các yêu cầu trên, hệ thống cung cấp là cụm van chân không ba chức năng gồm một van cung cấp công suất (van cung cấp chính), một van gia tốc (van làm đậm) và một van không tải (đường cấp biogas cho chế độ chạy không tải). 2.4. Lắp đặt hệ thống cung cấp biogas trên xe gắn máy hai bánh Hình 2.10 giới thiệu xe gắn máy kiểu WAVE 110cc đã được lắp đặt xong các phụ kiện của hệ thống nhiên liệu biogas. Hai bình chứa có dung tích 3,5 lít mỗi bình được nén ở áp suất 75 bar để chạy thử nghiệm. Các van giảm áp, bộ phụ kiện GATEC – 25 và ống dẫn khí đều được bố trí hợp lý với hình dạng và kết cấu của xe không thay đổi nhiều. Hình 2.10: Hình ảnh lắp đặt hệ thống cung cấp biogas nén trên xe gắn máy Wave  110cc 10 2.5. Xây dựng mô hình tính toán cho hệ thống cung cấp biogas nén kiểu van ba chức năng cho xe gắn máy Honda Wave α 110cc Hệ thống cung cấp nhiên liệu gồm những cụm chi tiết chính như: bình chứa biogas nén (1), van giảm áp (5), cụm van chân không ba chức năng (7, 14, 15) được bố trí như hình 2.11. 15 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 11 12 13 14 Hình 2.10: Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp biogas kiểu van chân không ba chức năng cho xe gắn máy Honda wave α 110cc 1- Bình chứa biogas nén; 2- Đồng hồ theo dõi áp suất bình chứa; 3- Khóa dòng; 4- Lọc dòng; 5- Cụm van giảm áp; 6- Bộ chia dòng; 7- Van công suất; 8- Lỗ cung cấp chính qua họng Venturi; 9- Van làm đậm; 10- Họng hút Venturi; 11- Lỗ cung cấp của mạch làm đậm; 12- Trụ ga; 13- Lỗ không tải; 14- Van không tải; 15- Mở cưỡng bức van làm đậm; Bằng cách thiết lập các phương trình lưu lượng lưu lại trong các dung tích Vi, các phương trình lưu lượng cho các phần tử tiết lưu, kết hợp với các giả thuyết và điều kiện biên, ta được hệ phương trình vi phân áp suất trong các dung tích như sau: 11 k 1 dv T.R.k  p k  v2  3,1 1   3   3,1  1     3,1  dt l k 1   p    l2 3,1     1   3,1     k 1 dv  k  v2  5,3 T.R.k 3   p5   5,3  1     5,3  dt l k 1   p    l2  5,3     3   5,3    k 1 dv T.R.k  p k  v2  7,5 5   h   7,5  1     7,5  dt l k 1   p    l2 7,5     5   7,5     k 1 dv  k  v2  9,3 T.R.k 3   p9   9,3  1     9,3  dt l k 1   p    l2  9,3    3   9,3    k 1 dv T.R.k  p k  v2  ,9 11 9   kt   ,9 11  1     ,9 11  dt l k 1   p    l2 ,9 11   9   ,9 11     k 1 dv  k  v2  ,3 13 T.R.k 3   p13   ,3 13  1     ,3 13  dt l k 1   p    l2  ,3 13    3   ,3 13    (2.56) k 1 dv T.R.k  p k  v2  13,15 13   h   13,15  1     13,15  dt l k 1   p    l2 13,15    13   13,15    Và hệ phương trình vi phân tốc độ dòng trung bình qua các phần tử tiết lưu được xác lập như sau: dp T.R.k 2  3 0 _ 3  4 .C5 .k.R.T0 _ 5 .T 5 . 5  Q 3,1  Q 5,3  Q 9,3  Q ,3 13 3 A     5  2 2 2 dt V3 4 .C .V .T k.T .p .( .D )   5 5 5  0 _ 5 5  5  dp 2 (2.57)  5  Q Q A 4 .C9 .k.R.T0 _ 9 .T 9 . 9   5,3  5,7  5    dt A 9  2 2 2   4 .C .V .T k.T .p .( .D ) 9 9 9  0 _ 9 9  9  dp 9   Q Q A 2  9,3  ,9 11  9   dt 4 .C13 .k.R.T0 _13T. 13 13 A13  2 2 2 dp 4 .C .V .T T.k p. .( .D )  13 Q Q A  13 13 13  0 _13 13  13   ,3 13  13,15  13   dt 2.6. Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas cho xe gắn máy Honda Wave α 110cc 2.6.1. Xác định các thông số ban đầu 12 Tính toán sau đây được thực hiện đối với động cơ Honda Wave  110cc có đường kính xy lanh Dxl = 50mm, với hành trình của piston S = 49,5mm, tỉ số nén  = 9:1. Động cơ có thể làm việc ở tốc độ lớn nhất với n = 8000 vòng/phút khi chạy bằng biogas với 85% CH4. 2.6.2. Kết quả mô phỏng Bằng cách giải các hệ phương trình vi phân (2.56) và (2.57) tìm quan hệ giữa tỷ lệ tương đương  của hỗn hợp theo các chế độ tải của động cơ hình 2.15. Hình 2.15 chỉ ra 3 đường đặc tính của bộ tạo hỗn hợp cho động cơ xe gắn máy sử dụng biogas nén đã được tính toán mô phỏng ứng với cụm van chân không ba chức năng đều làm việc và phát huy tác dụng. Hình 2.15: Quan hệ giữa tỷ lệ tương đương hỗn hợp và tải động cơ của cụm van chân không ba chức năng cung cấp biogas nén cho xe gắn máy Honda wave  110cc Theo đó kí hiệu % là giá trị tính theo (%) của vị trí bướm ga; 1 là giá trị hệ số tỷ lệ tương đương do mạch không tải và mạch chính tạo nên và có đường đặc tính như hình 2.15 với giá trị hệ số tỷ lệ tương đương   1 (1 = 1,06 đến 1,12); còn đường đặc tính 2 ứng với trường hợp điều chỉnh vít tiết lưu mạch chính để có giá trị  < 1 ở vùng tải nhỏ nhằm tiết kiệm nhiên liệu (giá trị 2 = 0,95 đến 1,03). Đường đặc tính 3 ứng với đường đặc tính mạch chính 1 (không điều chỉnh vít tiết lưu lỗ 13 cung cấp mạch chính) đồng thời có sự làm việc của mạch làm đậm. Mạch làm đậm được điều chỉnh để van gia tốc tham gia cung cấp bổ sung thêm nhiên liệu; và thời điểm bắt đầu làm việc khi vị trí bướm ga ở 40% trở lên. Theo đó, đường đặc tính có được hệ số tỷ lệ tương tương lớn hơn một rõ rệt (hệ số tỷ lệ tương đương  có thể đạt đến 1,21). 2.7. Kt lun - Việc lọc tạp chất trong biogas phụ thuộc vào yêu cầu và quy mô sử dụng của nhiên liệu khí. Đối với quy mô nhỏ, phương pháp lọc đơn giản sử dụng tháp có vật liệu đệm với dung môi bằng nước cho kết quả đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu khí sử dụng cho các phương tiện vận tải cơ giới. Đối với những trạm cấp biogas lớn, ta có thể kết hợp loại trừ H2S bằng các phương pháp lọc hấp phụ, hấp thụ truyền thống và phương pháp loại trừ CO2 bằng nén tách ở áp suất cao. - Hệ thống cung cấp biogas nén cho xe gắn máy bao gồm bình chứa biogas áp suất cao, van giảm áp, bộ phụ kiện tạo hỗn hợp. Có thể sử dụng bình chứa khí thiên nhiên nén dung tích 3,5 lít chịu được áp suất 200 bar để lưu trữ nhiên liệu trên xe gắn máy biogas. Mặt khác có thể điều chỉnh bộ phụ kiện cung cấp LPG cho xe gắn máy gồm 3 van chức năng: van không tải, van cấp ga chính và van làm đậm để cung cấp biogas nén cho xe gắn máy. - Kết cấu bộ phụ kiện GATEC–25 thích hợp để hiệu chỉnh làm hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy đặc tính cung cấp của hỗn hợp nhiên liệu khí biogas nén cho động cơ xe gắn máy Honda wave  110cc kiểu van chân không ba chức năng với giá trị hệ số tỷ lệ tương đương   1, phù hợp các dải làm việc tương ứng của động cơ xe gắn máy trong thực tế. Điều này còn có ý nghĩa vô cùng to lớn trong việc định hướng cho thực nghiệm khi cần điều chỉnh lượng cung cấp biogas cho xe gắn máy để đạt công suất lớn nhất có thể. 14 CHNG 3 NGHIểN CU THC NGHIM XE GN MÁY SỬ DỤNG NHIểN LIU BIOGAS NÉN 3.1. Sơ đồ bố trị thực nghiệm và các trang thiết bị Thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong AVL, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Phòng thử nghiệm xe gắn máy được trang bị đầy đủ các trang thiết bị hiện đại nhằm mục đích kiểm nghiệm, nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong. Thiết bị chính dùng trong quá trình thực nghiệm bao gồm: băng thử xe gắn máy Chassis Dynamometer 20’’, thiết bị đo diễn biến áp suất trong buồng cháy động cơ. Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát các trang thiết bị trong phòng thử nghiệm xe máy 3.1.1. Xe gắn máy thử nghiệm Xe gắn máy thử nghiệm là xe Honda wave α 110cc có thời hạn sử dụng là 90.000 km đường chạy, đây là đối tượng được sử dụng khá phổ biến hiện nay của người dân. Lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén gồm bình chứa khí nén, van giảm áp và bộ phụ kiện gồm 3 van chức năng lên xe gắn máy thử nghiệm và đưa vào băng thử Chassis Dynamometer 20’’(hình 3.2). 15 Hình 3.2: Xe gắn máy Honda wave α 110cc sau khi lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén và đưa lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’ 3.1.2. Băng thử Chassis Dynamometer 20” Băng thử Chassis Dynamometer 20” có thể xác định được một số thông số kỹ thuật của xe như tốc độ, gia tốc và công suất kéo của xe. 1. Con lăn 2. Gối trục 3. Động cơ điện Hình 3.3: Đưa xe gắn máy lên băng thử Chassis Dynamometer 20’’ 16 3.1.3. Hệ thống đo áp suất chỉ thị trong buồng cháy của động cơ Biến thiên áp suất chỉ thị trong xy lanh được ghi nhận bởi cảm biến áp suất GU12P và tốc độ động cơ được xác định bởi cảm biến tốc độ Encoder 364C như sơ đồ hình 3.4 Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm đo áp suất buồng cháy của động cơ 17 Bằng cách sử dụng các loại cảm biến có độ nhạy và ổn định cao, kết hợp với bộ mã hóa, khuếch đại tín hiệu có độ chính xác và tin cậy để đo đạc các thông số chỉ thị của động cơ như: diễn biến áp suất buồng cháy, tín hiệu kích nổ, góc đánh lửa hay góc phun sớm, xác định vị trí điểm chết trên. 3.2. Quy trình thử nghiệm xe gắn máy trên băng thử - Lắp ráp hoàn thiện bộ phụ kiện Gatec 25 lên xe; - Lắp xe lên băng thử kiểm tra các thông số đảm bảo điều kiện vận hành xe; như: áp suất lốp, tình trạng hoa lốp, lượng dầu bôi trơn động cơ... - Kẹp chặt bánh trước của xe bằng cơ cấu khí nén; - Lắp đặt hệ thống đường thải của xe vào hệ thống thải của phòng thử; - Điều chỉnh tâm bánh xe chủ động và tâm của rulô cùng nằm trên một mặt; phẳng để tránh xe bị trượt làm mòn lốp và gây sai số đến kết quả đo; - Giữ chặt xe bằng 2 dây móc để xe luôn ở phương thẳng đứng khi vận hành; - Bật quạt hút và quạt đẩy trong phòng; - Chạy ấm máy động cơ; - Bật hệ thống máy tính điều khiển Indiset 620; - Khởi động phần mềm điều khiển Dynamometer; - Thiết lập chế độ đo theo tốc độ không đổi (với tốc độ xe 10  60 km/h). 18 3.3. Kết quả thực nghiệm đo áp suất buồng cháy trong xylanh Kết quả thực nghiệm là bảng giá trị thể hiện quan hệ giữa áp suất chỉ thị pi trong xy lanh theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ (nhận được từ cảm biến áp suất và cảm biến tốc độ) ứng với góc đánh lửa sớm của xe nguyên bản, và các chế độ vận hành khác nhau được tiến hành cho hai nhiên liệu xăng RON92 và biogas có 85% CH4. Trên cơ sở các giá trị thể hiện quan hệ giữa áp suất chỉ thị pi trong xy lanh theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ (nhận được từ cảm biến áp suất và cảm biến tốc độ) ứng với góc đánh lửa sớm của xe nguyên bản. Đề tài tiến hành xử lý các số liệu và tính toán xây dựng quy luật biến thiên áp suất chỉ thị pi trong xy lanh theo tốc độ góc của động cơ (ứng với góc đánh lửa sớm của xe nguyên bản) cho hai loại nhiên liệu xăng RON92 và biogas nén có 85% CH4. Ngoài ra, kết quả tính toán còn sử dụng để vẽ đồ thị công chỉ thị và các tính toán khác. Hình 3.5 giới thiệu biến thiên áp suất chỉ thị pi trong xy lanh theo tốc độ góc trục khuỷu của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc (ứng với n = 3000 vòng/phút). Qua đồ thị cho thấy, biến thiên áp suất trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92 khá tốt, phản ánh quy luật tăng lên mạnh mẽ của áp suất trong buồng cháy và đạt giá trị cực đại pmax  58 bar sau điểm chết trên 10 độ góc quay trục khuỷu. Trong khi đó, diễn biến áp suất trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc khi sử dụng nhiên liệu biogas 85% CH4 có quy luật tăng giống như khi sử dụng xăng RON92 nhưng giá trị cực đại chỉ đạt pmax  34,5 bar và kéo dài sau điểm chết trên khoảng 19 độ góc quay trục khuỷu. Sự tụt giảm áp suất cực đại khi chuyển từ xăng sang biogas có thể được giải thích bởi 2 lý do. Thứ nhất là sự giảm hệ số nạp do sử dụng nhiên liệu khí, thứ hai là 19 do CO2 trong biogas là khí bẩn làm giảm nhiệt trị và chất lượng quá trình cháy của động cơ. Hình 3.5: Diễn biến áp suất theo góc quay trục khuỷu của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc Hình 3.6: Đồ thị công chỉ thị chu trình của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc 20 Bằng phương pháp tích phân số, tiến hành xây dựng đồ thị công ở hình 3.6. Sau đó tính toán được công chu trình sinh ra trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng xăng RON92 là 106,369 J/cyc; trong khi đó công chu trình của động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng nhiên liệu biogas nén với 85% CH4 chỉ ra là 75,842 J/cyc; tức là công chu trình của động cơ sử dụng nhiên liệu biogas (85% CH4) chỉ bằng 71,30% đối với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng RON92. Khi giữ nguyên góc đánh lửa sớm và chế độ thử nghiệm thì diện tích đồ thị công khi sử dụng nhiên liệu biogas đều giảm hơn so với xăng (hình 3.6). Điều này nói lên rằng tốc độ cháy của hỗn hợp xăng – không khí tốt hơn so với biogas – không khí. 3.4. Chạy thử nghiệm xe gắn máy sử dụng biogas nén trên đường Đề tài đã tiến hành chạy thử nghiệm xe gắn máy sử dụng nhiên liệu biogas (85% CH4) nén vào 2 bình chứa có dung tích 3,5 lít mỗi bình ở áp suất 75 bar để chạy thử nghiệm trên đường trường (hình 3.7). Kết quả thực tế cho thấy tốc độ cực đại xe gắn máy đạt được là 55 km/h và có thể chạy quãng đường độc lập khoảng 20 km ở tốc độ trung bình của xe 40 km/h. Với xe gắn 7 máy này, khi chạy bằng xăng tốc độ Hình 3. : Chạy thử nghiệm trên đường cực đại đạt được là 80 km/h. 21 3.5. Kt lun Các kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép rút ra một số kết luận như sau: - Khi chuyển sang chạy bằng biogas nén, áp suất chỉ thị cực đại cũng như công chu trình giảm so với khi chạy bằng xăng. Thực nghiệm cho thấy khi động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thì áp suất cực đại pmax  58 bar sau điểm chết trên khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu và công chu trình là 106,369 Jun/cyc còn khi chạy bằng nhiên liệu biogas nén có thành phần 85% CH4 áp suất cực đại đạt 34,5 bar, ở góc quay trục khuỷu 19 độ sau điểm chết trên và công chu trình là 75,842 Jun/cyc tức là khoảng 71,3% so với xăng thị trường RON92. - Tốc độ cháy của biogas thấp hơn tốc độ cháy của nhiên liệu lỏng truyền thống. Vì vậy, khi chuyển xe gắn máy sang chạy bằng biogas nén chúng ta phải thay đổi góc đánh lửa để đảm bảo động cơ có thể chạy được ở tốc độ cao. 22 KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN Việc sử dụng nhiên liệu tái tạo để thay thế dần nhiên liệu hóa thạch là xu thế tất yếu của văn minh nhân loại vì nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt dần, gây ảnh hưởng đến mọi nền kinh tế trên toàn thế giới. Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là một trong những giải pháp phát triển năng lượng tái tạo phù hợp với Việt Nam nơi có đến 80% dân số sống ở vùng nông thôn. Sử dụng biogas làm nhiên liệu càng có ý nghĩa hơn khi chúng ta có thể chế biến chúng để cung cấp cho phương tiện giao thông cơ giới, trong đó xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chính ở nước ta hiện nay. Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau đây. Kt lun chung:  Kết cấu bộ GATEC – 25 thích hợp để hiệu chỉnh làm hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas nén cho động cơ xe gắn máy.  Các đường đặc tính tính toán mô phỏng phù hợp các dải làm việc tương ứng của động cơ xe gắn máy trong thực tế.  Khi chuyển sang chạy bằng biogas nén, áp suất chỉ thị cực đại giảm so với khi chạy bằng xăng. Thực nghiệm cho thấy khi động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thì áp suất cực đại pmax  58 bar sau điểm chết trên khoảng 10 độ góc quay trục khuỷu còn khi chạy bằng nhiên liệu biogas nén có thành phần CH4 chiếm 85% áp suất cực đại đạt 34,5 bar, ở góc quay trục khuỷu 19 độ sau điểm chết trên.  Tốc độ cháy của biogas thấp hơn tốc độ cháy của nhiên liệu lỏng truyền thống. Vì vậy, khi chuyển xe gắn máy sang chạy 23 bằng biogas nén chúng ta phải thay đổi góc đánh lửa để đảm bảo động cơ có thể chạy được ở tốc độ cao. Hng phát trin Để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của động cơ xe gắn máy sử dụng nhiên liệu biogas nén cần tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu những vấn đề sau:  Nghiên cứu phát triển công nén lưu trữ biogas bằng các vật liệu có cấu trúc nano để hấp thụ CH4 làm giảm thể tích bình chứa khi bố trí trên xe gắn máy để thuận lợi hơn khi sử dụng.  Nghiên cứu bố trí các bình chứa biogas nén trên xe gắn máy, các thông số tính toán nên kể đến thể tích và trọng lượng bình chứa biogas.  Đánh giá mức độ phát thải các chất ô nhiễm khi sử dụng nhiên liệu biogas với các thành phần CH4 khác nhau và các chế độ vận hành khác nhau.  Nghiên cứu ảnh hưởng của biogas nén đến tuổi thọ xe gắn máy.